[发明专利]一种基于改进人工势场法的无人机三维避障方法

说明书

本发明涉及一种基于改进人工势场法的无人机三维避障方法，包括：步骤S1、初始化人工势场法；步骤S2、计算无人机当前位置的引力、斥力和合力；当合力为0时，转步骤S3，否则，转步骤S4；步骤S3、当合力为0时，若无人机到达目标点，则结束；否则，采用六边形导向法确定下一步的虚拟目标点，并采用人工势场法对将无人机移动至虚拟目标点后，转步骤S2；步骤S4、若无人机在当前位置的斥力大于预设倍数的引力时，对斥力场函数进行修正，并转步骤S2；否则，采用人工势场法将无人机移动至下一位置后判断是否到达目标点，若到达目标点，则结束，否则转步骤S1。与现有技术相比，本发明解决了人工势场法的障碍物附近目标不可达和存在局部极小的问题。

技术领域

本发明涉及无人机避障技术领域，尤其是涉及一种基于改进人工势场法的无人机三维避障方法。

背景技术

复杂地形环境下的无人机路径规划问题是近年来广泛关注的热点问题，以往的研究，对二维地形环境研究的较多，对三维地形环境研究的较少；对简单化的地形研究的较多，对复杂的自然地形环境研究的较少。

目前，有研究将APF人工势场法应用到无人机路径规划问题。APF人工势场法是虚力法，最早由Khatib于1986年提出，将机器人在环境空间中的运动转化为虚力场运动，建立由目标产生的引力场和障碍物产生的斥力场组成的混合势场。斥力场矢量方向与障碍物位置相对，引力场矢量方向与目标位置相对，合力指向下一条路径的方向。现有的APF人工势场法进行路径规划存在以下问题：1)在障碍物附近目标不可达(GNRON)；2)存在局部极小问题；3)近年来的研究大多是基于二维环境。

而无人机需要在广阔的空中复杂环境中飞行，这对路径规划方法的实时性和三维适应性提出了更高的要求。

经过检索，郜辉等人使用“绕墙走”方式解决局部极小问题，围绕障碍物的边缘进行运动，使移动机器人走出局部极小值位置，但这个方法只适用于在地面行走的机器人比如扫地机器人，对于较为脆弱的无人机，贴墙走有很大的安全隐患；元朝春等人提出了一种基于制动过程分析的纵向安全距离模型和侧滑角约束下基于最小换道时间的换道安全间距模型的改进人工势场法，并用人工力表示环境信息的影响，最终仿真结果表明该算法具有较好的避障性能，但此算法依赖于人工赋值，缺乏自主性。

纵观上述分析，针对传统人工势场法的障碍物附近目标不可达和存在局部极小的问题，需要设计一种新的针对三维空间的无人机三维避障方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的目标不可达以及易陷入局部极小值的缺陷而提供了一种基于改进人工势场法的无人机三维避障方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种基于改进人工势场法的无人机三维避障方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1、建立三维地形环境模型，初始化人工势场法的参数、无人机初始位置、障碍物位置以及目标点；

步骤S2、计算无人机当前位置的引力和斥力，并对合力进行判断；当合力为0时，转步骤S3，否则，转步骤S4；

步骤S3、当合力为0时，若无人机到达目标点，则结束；否则，采用六边形导向法确定下一步的虚拟目标点，并采用人工势场法对无人机移动至所述虚拟目标点的路径进行规划，当所述无人机移动至所述虚拟目标点后，转步骤S2；

步骤S4、若无人机在当前位置的斥力大于预设倍数的引力时，对斥力场函数进行修正，并转步骤S2；否则，采用人工势场法将无人机移动至下一位置后判断是否到达目标点，若到达目标点，则结束，否则转步骤S1。

优选地，所述步骤S1具体为：

初始化无人机初始位置，目标点位置，障碍物位置，无人机和障碍物之间的安全距离以及无人机到达目标点的预测距离；